單片式三軸磁力矩器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明公開了單片式H軸磁力矩器，屬于衛(wèi)星姿態(tài)控制的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，國(guó)內(nèi)外研制的星上磁力矩器主要有H種：開關(guān)式磁力矩器、單極性線性可調(diào) 式磁力矩器和雙極性線性可調(diào)式磁力矩器。磁力矩器的執(zhí)行部件主要是磁棒和空也線圈。 文獻(xiàn)大磁矩磁力矩器驅(qū)動(dòng)電路的一種設(shè)計(jì)方案（范佳壁，王友平，崔赦曼，空間控制技術(shù)與 應(yīng)用，2010, 36 (2) : 58-62.)中提出了一種1500~2000A .mS的大磁矩開關(guān)式磁力矩器的驅(qū) 動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案，電路主要采用脈寬調(diào)制和H橋驅(qū)動(dòng)的形式，根據(jù)輸入信號(hào)的不同，輸出的 激磁電流呈線性變化。該種磁力矩器雖然輸出的磁矩比較大，但對(duì)于立方體衛(wèi)星來(lái)說(shuō)其功 耗過(guò)大，剩磁的影響也很大，而且磁矩控制信號(hào)不能通過(guò)輸入信號(hào)的正負(fù)直接換向，需要 采用過(guò)零的控制方式。文獻(xiàn)低軌小衛(wèi)星高性能磁力矩器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（孔慶松，中國(guó)科學(xué) 院研究生院（空問(wèn)科學(xué)與應(yīng)用研究中也），2006)提出了一種新的線性可調(diào)式磁力矩器控制 電路一帶反饋的電流幅度控制電路，即采用了閉環(huán)控制電路。該種控制方法輸出的磁矩 線性度高，并且能夠較好的控制磁力矩器的剩磁，但電路的結(jié)構(gòu)就相對(duì)復(fù)雜，由于使用了電 壓放大電路，使得電路的效率大大降低。文獻(xiàn)皮衛(wèi)星姿控系統(tǒng)的敏感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路設(shè) 計(jì)（朱小豐，浙江大學(xué)，2011)和文獻(xiàn)皮衛(wèi)星姿態(tài)確定與控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（蒙濤， 浙江大學(xué)，2006)中描述了與偏置動(dòng)量輪相結(jié)合的開關(guān)式磁力矩器。文獻(xiàn)Reconfigur油le magnetorquer for the CubePMT module of CubeSat satellites[C]//Multitopic Conference (Ali A,Reyneri L，de los Rios J C，et al. 2012 15th International. IEEE, 2012:178-183.)提出了一種可重構(gòu)的片上磁力矩器，其產(chǎn)生磁矩的部分采用的是空也線 圈，可W使用單個(gè)、兩個(gè)、H個(gè)或四個(gè)線圈串聯(lián)、并聯(lián)或者混合連接，該種可重構(gòu)性的優(yōu)點(diǎn)在 于可W產(chǎn)生任意大小的偶極矩并且可W控制功耗和產(chǎn)熱。該磁力矩器尺寸小，而且重量輕， 更重要的是，線圈的產(chǎn)熱也很低，但對(duì)開關(guān)的控制就比較復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述【背景技術(shù)】的不足，提供了單片式H軸磁力 矩器，W解決功耗大且剩磁矩影響大、驅(qū)動(dòng)控制電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題。
[0004] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案：
[0005] 單片式H軸磁力矩器，包括H個(gè)正交方向上的通電回路W及相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制電 路，兩個(gè)正交方向上的通電回路均為在驅(qū)動(dòng)電流作用下產(chǎn)生磁矩的磁棒，另一個(gè)正交方向 上的通電回路為在驅(qū)動(dòng)電流作用下產(chǎn)生磁矩的空也線圈，空也線圈、2根磁棒集成在線圈電 路板上，H個(gè)驅(qū)動(dòng)電路集成在驅(qū)動(dòng)電路板上，驅(qū)動(dòng)電路板通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)排針與線圈電路板連接， 2根磁棒垂直集成在電路板上形成笛卡爾直角坐標(biāo)系，n層空也線圈繞制在線圈電路板上 形成線徑為d的空也線圈陣列，
[000引線徑d ; w ,M = /￥(。+/抑。一+ 為目標(biāo)函數(shù)，= 為邊界函數(shù)確 過(guò) a 3 口- ^ 定，其中，m為磁矩，I為通過(guò)空也線圈的電流，a為線圈電路板邊長(zhǎng)，P為功耗，P為空也線 圈的電阻系數(shù)，1。為單面空也線圈的長(zhǎng)度，S。為空也線圈的橫截面積。
[0007] 作為所述單片式H軸磁力矩器的進(jìn)一步優(yōu)化方案，3個(gè)驅(qū)動(dòng)電路均為雙極性線性 可調(diào)式控制電路，所述雙極性線性可調(diào)式控制電路包括：
[000引 反向放大電路、功放電路；
[0009] 方向放大電路輸入端接控制信號(hào)，輸出反比例放大信號(hào)至功放電路的輸入端；
[0010] 功放電路輸出控制電流給磁棒或空也線圈，磁棒或空也線圈在控制電流作用下產(chǎn) 生磁矩。
[0011] 進(jìn)一步的，所述單片式H軸磁力矩器中，空也線圈陣列通過(guò)在線圈電路板上覆銅 形成。
[0012] 進(jìn)一步的，所述單片式H軸磁力矩器中，磁棒帶磁芯且經(jīng)過(guò)退火處理。
[0013] 進(jìn)一步的，所述單片式H軸磁力矩器中，線圈電路板和驅(qū)動(dòng)電路板均為采用PC104 規(guī)格的尺寸和排針定義的模塊化電路板。
[0014] 本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有W下有益效果；將線圈電路與驅(qū)動(dòng)控制電路集成 在電路板上并通過(guò)指針接通兩塊電路板，W單片式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了磁力矩器，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1(a)為線圈電路板示意圖，圖1(b)為驅(qū)動(dòng)電路板示意圖。
[0016] 圖2為磁力矩器原理圖。
[0017] 圖3為驅(qū)動(dòng)控制電路的框圖。
[0018] 圖4為磁棒測(cè)試原理圖。
[0019] 圖5為磁棒電流-磁矩關(guān)系曲線圖。
[0020] 圖6為空也線圈電流-磁矩曲線圖。
[0021] 圖7為驅(qū)動(dòng)電路電流-電壓關(guān)系曲線圖。
[0022] 圖8為磁力矩器電流電壓關(guān)系曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0024] 磁力矩器由通電回路和相應(yīng)的控制電路兩部分組成，通電回路可W是帶磁芯的磁 棒或者是空也線圈。本發(fā)明涉及的單片式磁力矩器，包括X、y和Z H個(gè)正交方向上的通電 回路W及相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制電路，兩個(gè)正交方向上的通電回路均為在驅(qū)動(dòng)電流作用下產(chǎn)生 磁矩的磁棒，另一個(gè)正交方向上的通電回路為在驅(qū)動(dòng)電流作用下產(chǎn)生磁矩的空也線圈，空 也線圈、2根磁棒集成在線圈電路板上，H個(gè)驅(qū)動(dòng)電路集成在驅(qū)動(dòng)電路板上，驅(qū)動(dòng)電路板通 過(guò)標(biāo)準(zhǔn)排針與線圈電路板連接，2根磁棒垂直集成在電路板上形成笛卡爾直角坐標(biāo)系，n層 空也線圈繞制在線圈電路板上形成線徑為d的空也線圈陣列。磁力矩器的原理如圖2所示， 根據(jù)衛(wèi)星當(dāng)前的姿態(tài)給驅(qū)動(dòng)控制電路輸入模擬信號(hào)，驅(qū)動(dòng)控制電路對(duì)輸入的模擬信號(hào)反向 放大后產(chǎn)生控制電流（即線圈上的工作電流），通電回路（即為線圈電路板）產(chǎn)生的磁矩與 地磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生磁力矩，從而控制衛(wèi)星的姿態(tài)。
[0025] 本發(fā)明涉及的單片式磁力矩器包括：圖1(a)所示的線圈電路板W及圖1(b)所示 的驅(qū)動(dòng)電路板。線圈電路板由2根磁棒和植入電路板的線圈組成，成為磁力矩器產(chǎn)生磁矩 的部分。驅(qū)動(dòng)電路板采用雙極性線性可調(diào)式控制電路設(shè)計(jì)，可根據(jù)輸入的指令電壓輸出所 需的線圈電流，電流大小和方向可控。為了便于集成和替換，片式磁力矩器的電路板設(shè)計(jì)采 用了 PC104規(guī)格的尺寸和接口定義，可方便與立方體衛(wèi)星進(jìn)行集成測(cè)試。
[0026] 驅(qū)動(dòng)控制電路如圖3所示，包括反向放大器、己類功放電路。根據(jù)衛(wèi)星當(dāng)前的姿態(tài) 給驅(qū)動(dòng)控制電路輸入模擬信號(hào)，反向放大器對(duì)模擬信號(hào)反向處理后傳輸至己類功放電路， 己類功放電路反向后的模擬信號(hào)放大后產(chǎn)生控制電流（即線圈上的工作電流），通電回路 再控制電流作用下產(chǎn)生的磁矩與地磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生磁力矩，從而控制衛(wèi)星的姿態(tài)。通過(guò) 調(diào)節(jié)輸入模擬信號(hào)的值來(lái)改變控制電流的幅值，通過(guò)輸入模擬信號(hào)的正負(fù)來(lái)改變輸出電流 的方向。
[0027] 已知衛(wèi)星的軌道坐標(biāo)，通過(guò)磁強(qiáng)計(jì)測(cè)出衛(wèi)星當(dāng)前所處的地磁場(chǎng)環(huán)境強(qiáng)度，進(jìn)而判 斷衛(wèi)星的姿態(tài)，計(jì)算需要調(diào)整的角度。星上計(jì)算機(jī)根據(jù)判斷結(jié)果輸出指令電壓，在磁力矩器 的驅(qū)動(dòng)電路輸出電流，在互相垂直的H個(gè)方向的通電線圈分別產(chǎn)生x、y和Z軸方向的磁場(chǎng) 強(qiáng)度B。通電線圈回路能產(chǎn)生一定大小的磁矩M，在地磁場(chǎng)環(huán)境中與地磁相互作用產(chǎn)生磁 力矩f，并通過(guò)調(diào)整磁棒上流過(guò)的電流大小來(lái)產(chǎn)生需要的轉(zhuǎn)動(dòng)磁力矩，從而調(diào)整衛(wèi)星的姿 態(tài)W完成姿態(tài)控制。
[002引磁力矩器的空也線圈，作如下定義：
[0029] S。;導(dǎo)線的橫截面積，1。;單面線圈的長(zhǎng)度，P :導(dǎo)線的電阻系數(shù)，A ;線圈的截面積， m ;線圈產(chǎn)生的磁矩，N ;線圈面數(shù)，I ;通過(guò)線圈的電流，R ;線圈的電阻，P ;線圈的功耗。
[0030] 空也載流線圈的磁矩：
[00；31] m = NIA,
[0032] 線圈電阻：
[0033]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 單片式三軸磁力矩器，包括三個(gè)正交方向上的通電回路以及相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制電 路，兩個(gè)正交方向上的通電回路均為在驅(qū)動(dòng)電流作用下產(chǎn)生磁矩的磁棒，另一個(gè)正交方向 上的通電回路為在驅(qū)動(dòng)電流作用下產(chǎn)生磁矩的空心線圈，其特征在于，空心線圈、2根磁棒 集成在線圈電路板上，三個(gè)驅(qū)動(dòng)電路集成在驅(qū)動(dòng)電路板上，驅(qū)動(dòng)電路板通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)排針與線 圈電路板連接，2根磁棒垂直集成在電路板上形成笛卡爾直角坐標(biāo)系，η層空心線圈繞制在 線圈電路板上形成線徑為d的空心線圈陣列， 線徑cM
為目標(biāo)函數(shù)，
b邊界函數(shù)確定， 其中，m為磁矩，I為通過(guò)空心線圈的電流，a為線圈電路板邊長(zhǎng)，P為功耗，P為空心線圈 的電阻系數(shù)，Itl為單匝空心線圈的長(zhǎng)度，S C1為空心線圈的橫截面積。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片式三軸磁力矩器，其特征在于，3個(gè)驅(qū)動(dòng)電路均為雙極性 線性可調(diào)式控制電路，所述雙極性線性可調(diào)式控制電路包括： 反向放大電路、功放電路； 方向放大電路輸入端接控制信號(hào)，輸出反比例放大信號(hào)至功放電路的輸入端； 功放電路輸出控制電流給磁棒或空心線圈，磁棒或空心線圈在控制電流作用下產(chǎn)生磁 矩。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單片式三軸磁力矩器，其特征在于，所述空心線圈陣列通 過(guò)在線圈電路板上覆銅形成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單片式三軸磁力矩器，其特征在于，磁棒帶磁芯且經(jīng)過(guò)退 火處理。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單片式三軸磁力矩器，其特征在于，線圈電路板和驅(qū)動(dòng)電 路板均為采用PC104規(guī)格的尺寸和排針定義的模塊化電路板。
【專利摘要】本發(fā)明公開了單片式三軸磁力矩器，屬于衛(wèi)星姿態(tài)控制的技術(shù)領(lǐng)域，包括三個(gè)正交方向上的通電回路以及相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制電路，兩個(gè)正交方向上的通電回路均為在驅(qū)動(dòng)電流作用下產(chǎn)生磁矩的磁棒，另一個(gè)正交方向上的通電回路為在驅(qū)動(dòng)電流作用下產(chǎn)生磁矩的空心線圈，空心線圈、2根磁棒集成在線圈電路板上，三個(gè)驅(qū)動(dòng)電路集成在驅(qū)動(dòng)電路板上，驅(qū)動(dòng)電路板通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)排針與線圈電路板連接，2根磁棒垂直集成在電路板上形成笛卡爾直角坐標(biāo)系，n層空心線圈繞制在線圈電路板上形成線徑為d的空心線圈陣列。本發(fā)明將線圈電路與驅(qū)動(dòng)控制電路集成在電路板上并通過(guò)指針接通兩塊電路板，以單片式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了磁力矩器，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。
【IPC分類】H02K11-00, H02K41-02, H02K3-28
【公開號(hào)】CN104638874
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510002921
【發(fā)明人】周瓊峰, 康國(guó)華, 陳雪芬
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2015年1月5日